射频电路设计技术剖析
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• 在大多数情况下，要求振荡器的频率是 可控的，如频率合成器、锁相解调电路 等。
• 当振荡器的频率随外加控制电压的变化 而变化时，称为压控振荡器（VCO）。
• 两种应用最普遍的、可产生负阻抗的场 效应晶体管（FET）电路结构，分别是： ① 共源极容性反馈电路； ② 共栅极感性反馈电路。
• 一般情况下，回路的等效阻抗为：
Z
Z0
1 jQ( f f0 )
f0 f
（1）LC并联电路具有选频特性；在谐振频率处f0 ，
电路为纯阻性（V与I无相位差），此时阻值
最大。在
• 避免杂散振荡的基本准则是：消除振荡 所需的幅值和相角条件。实际上，晶体 管提供的放大增益应满足设计要求的频 率范围，同时，要求其带宽尽量窄。另 外，在设计中也应考虑到偏置电感、去 耦电容及其他片外元器件的影响。
10.6 压控振荡器
• 振荡器是接收／发射机中重要的器件， 在许多应用中也需要含压控振荡器 （VCO）的锁相环（PLL）。
• 如前所述，频率稳定度又可以分为长期 稳定度和短期稳定度两种。
10.5.1 振荡器元器件的比较
• 所选的有源器件是否适当，很大程度上决定了 振荡器的性能，所以必须明确有源器件的特性 及区别。
• 有源器件在所需频带内能否产生足够的负阻抗 或前向增益是很重要的。
• 基于这两种晶体管的振荡器在载波附近的噪声 性能相差20～30 dB，在过去，唯一可用于低 相位噪声微波振荡器的有源器件是双极型晶体 管。现在，许多新型的晶体管已用于低噪声领 域，特别是在微波／毫米波频段。可见，射频 电路的发展与元器件工艺的发展是密不可分的。
第10章 振 荡 器
10.1 概 述Βιβλιοθήκη • 影响振荡器频率稳定度的因素主要是振 荡器频率波动，可用频率漂移（长期稳 定度）和随机噪声（短期稳定度）两个 物理量来表示：
（1）长期频率稳定度 （2）短期频率稳定度
在通信系统中，主要考虑信号源（振荡 器）的短期稳定度，而研究短期稳定度 也就是研究振荡器的相位噪声。
Zs ZL 0
• 既是 Z的S 负阻抗和电抗与 Z的L 电阻和电抗 在幅值上相等、符号相反，则可起振。
• 从理论上讲，LC振荡器和反馈型振荡器 都可以用于振荡器电路的设计与分析。 在实际应用LC振荡器的公式时，通常使 用线性仿真来获得与频率相关的输入阻 抗的实部和虚部。
10.3.2 LC振荡器的基本 结构及特性
(1)RC正弦波振荡器； (2)LC振荡器； (3)反馈型振荡器。 振荡器的一般结构:
10.2 RC正弦波振荡器
• 振荡器中，RC正弦波振荡器是最基本、 最简单的振荡器。其主要特点是：
① RC串联网络作为选频网络； ② RC并联网络作为反馈网络。
10.3 LC振荡器
10.3.1 LC振荡器的平衡条件
• 现代微波系统需要稳定、低相位噪声、 宽带可调、有足够输出功率与效率的振 荡器，这就是设计振荡器必须满足的最 为基本的要求。
• 在振荡器设计中有两个主要的设计目标： (1)用最小的功耗，获得最低的相位噪声； (2)扩大可调频率范围，以提高纠错能力。
• 振荡器可根据产生振荡的元器件不同分 为三种形式：
10.5.2 相位噪声的 频谱特性
• 在设计振荡器时，为了提高频率稳定度及减少
相位噪声，最有效的办法是提高选频回路的Q
值。同时，为了减小由于非线性器件的影响， 应避免幅度噪声向相位噪声的转换。
• 振荡器中的相位噪声源主要有两个：
（1）闪烁噪声。闪烁噪声（或称为1/fm噪声）
是基带噪声，在有源器件中，由于器件的非线
f处，f0 电路呈电感性。在 处，f f0
电路呈电容性。
（尖2）锐谐，振在时f ， fQ0 附越近大，Z相0 越频大特，性振变幅化特越性快曲，线选越频
性能越好。
（3）谐振时，支路电流近似为总电流的Q倍。 通常，Q远大于1，所以谐振时LC并联电路的
回路电流比输入电流大得多。
10.4 反馈型振荡器
10.4.1 反馈型振荡器平衡条件 • 可以将反馈型振荡器分为两类： （1）哈特莱式振荡器； （2）科毕兹振荡器。
性作用而上变频到载波频率。变频增益取决于 元器件和工作条件。
（2）热噪声。有源器件的热噪声，其频谱平坦
且造成了振荡器频谱中特有的
1/
f
2 m
特性。
10.5.3 振荡器的噪声分析
• 对于射频电压或电流的任意扰动（如噪 声），若振荡器都能回到平衡点，那么 这个负阻抗振荡器则视为稳定的。常用 的分析方法是静态振荡器的一次分析处 理法。
• 在实际的振荡器中，谐振器的选频特性（即选 频网络的品质因数），决定了振荡器的输出频 率与载波频率附近的噪声性能。
• 在设计振荡器时还必须注意以下问题：
（1）为了获得振荡器的输出频谱，Q倍乘器放
大并滤除了电路固有的噪声；
（2）为了避免起振问题，必须使放大器的增益 比最小增益大很多。最后的增益会随着振荡幅 度的增加而降低，最终达到稳定状态，这是由 于器件的非线性而引起的。
10.4.2 LC三点式振荡器 的一般结构
• 根据LC振荡器的不同结构，可将三点式 振荡器分为：
（1）科毕兹振荡器是电容反馈三点式振荡 器；
（1）哈特莱振荡器是电感反馈三点式振荡 器。
10.5 振荡器中的相位噪声
• 频率稳定度是指在一定的时间间隔内频 率准确度的变化。
• 频率稳定度是衡量振荡器性能的一个十 分重要的指标，频率准确度要靠稳定度 来保证。
• 在选择偏置结构时，主要关注的是功率 效率、稳定性和易用性。
• 在设计低噪声振荡器时，需要恰当地控 制和选择偏置电路，以避免产生任何不 希望的调制信号或噪声。
• 电源电压和电流的波动也可引起输出功 率的波动及频率漂移。最常用的偏置结 构是采用一个或两个直流功率。这样选 择的目的在于保持了振荡器起振的条件， 并且使振荡器的稳定性有较好的控制。
• 频率转换过程的一个更通用办法是：通 过向支持周期性稳态的非线性电路注入 一个确定的小的射频信号，该方法同时 可以解决变频问题。若有几个噪声源， 那么它们可能存在相关性，因此在计算 噪声功率时必须考虑几个噪声的相关因 子。
10.5.4 偏置与杂散响应的 抑制
• 在振荡器中的偏置和一般的偏置结构不 同，应考虑振荡器的性能要求，从而选 择最为合理的偏置结构。
• 当振荡器的频率随外加控制电压的变化 而变化时，称为压控振荡器（VCO）。
• 两种应用最普遍的、可产生负阻抗的场 效应晶体管（FET）电路结构，分别是： ① 共源极容性反馈电路； ② 共栅极感性反馈电路。
• 一般情况下，回路的等效阻抗为：
Z
Z0
1 jQ( f f0 )
f0 f
（1）LC并联电路具有选频特性；在谐振频率处f0 ，
电路为纯阻性（V与I无相位差），此时阻值
最大。在
• 避免杂散振荡的基本准则是：消除振荡 所需的幅值和相角条件。实际上，晶体 管提供的放大增益应满足设计要求的频 率范围，同时，要求其带宽尽量窄。另 外，在设计中也应考虑到偏置电感、去 耦电容及其他片外元器件的影响。
10.6 压控振荡器
• 振荡器是接收／发射机中重要的器件， 在许多应用中也需要含压控振荡器 （VCO）的锁相环（PLL）。
• 如前所述，频率稳定度又可以分为长期 稳定度和短期稳定度两种。
10.5.1 振荡器元器件的比较
• 所选的有源器件是否适当，很大程度上决定了 振荡器的性能，所以必须明确有源器件的特性 及区别。
• 有源器件在所需频带内能否产生足够的负阻抗 或前向增益是很重要的。
• 基于这两种晶体管的振荡器在载波附近的噪声 性能相差20～30 dB，在过去，唯一可用于低 相位噪声微波振荡器的有源器件是双极型晶体 管。现在，许多新型的晶体管已用于低噪声领 域，特别是在微波／毫米波频段。可见，射频 电路的发展与元器件工艺的发展是密不可分的。
第10章 振 荡 器
10.1 概 述Βιβλιοθήκη • 影响振荡器频率稳定度的因素主要是振 荡器频率波动，可用频率漂移（长期稳 定度）和随机噪声（短期稳定度）两个 物理量来表示：
（1）长期频率稳定度 （2）短期频率稳定度
在通信系统中，主要考虑信号源（振荡 器）的短期稳定度，而研究短期稳定度 也就是研究振荡器的相位噪声。
Zs ZL 0
• 既是 Z的S 负阻抗和电抗与 Z的L 电阻和电抗 在幅值上相等、符号相反，则可起振。
• 从理论上讲，LC振荡器和反馈型振荡器 都可以用于振荡器电路的设计与分析。 在实际应用LC振荡器的公式时，通常使 用线性仿真来获得与频率相关的输入阻 抗的实部和虚部。
10.3.2 LC振荡器的基本 结构及特性
(1)RC正弦波振荡器； (2)LC振荡器； (3)反馈型振荡器。 振荡器的一般结构:
10.2 RC正弦波振荡器
• 振荡器中，RC正弦波振荡器是最基本、 最简单的振荡器。其主要特点是：
① RC串联网络作为选频网络； ② RC并联网络作为反馈网络。
10.3 LC振荡器
10.3.1 LC振荡器的平衡条件
• 现代微波系统需要稳定、低相位噪声、 宽带可调、有足够输出功率与效率的振 荡器，这就是设计振荡器必须满足的最 为基本的要求。
• 在振荡器设计中有两个主要的设计目标： (1)用最小的功耗，获得最低的相位噪声； (2)扩大可调频率范围，以提高纠错能力。
• 振荡器可根据产生振荡的元器件不同分 为三种形式：
10.5.2 相位噪声的 频谱特性
• 在设计振荡器时，为了提高频率稳定度及减少
相位噪声，最有效的办法是提高选频回路的Q
值。同时，为了减小由于非线性器件的影响， 应避免幅度噪声向相位噪声的转换。
• 振荡器中的相位噪声源主要有两个：
（1）闪烁噪声。闪烁噪声（或称为1/fm噪声）
是基带噪声，在有源器件中，由于器件的非线
f处，f0 电路呈电感性。在 处，f f0
电路呈电容性。
（尖2）锐谐，振在时f ， fQ0 附越近大，Z相0 越频大特，性振变幅化特越性快曲，线选越频
性能越好。
（3）谐振时，支路电流近似为总电流的Q倍。 通常，Q远大于1，所以谐振时LC并联电路的
回路电流比输入电流大得多。
10.4 反馈型振荡器
10.4.1 反馈型振荡器平衡条件 • 可以将反馈型振荡器分为两类： （1）哈特莱式振荡器； （2）科毕兹振荡器。
性作用而上变频到载波频率。变频增益取决于 元器件和工作条件。
（2）热噪声。有源器件的热噪声，其频谱平坦
且造成了振荡器频谱中特有的
1/
f
2 m
特性。
10.5.3 振荡器的噪声分析
• 对于射频电压或电流的任意扰动（如噪 声），若振荡器都能回到平衡点，那么 这个负阻抗振荡器则视为稳定的。常用 的分析方法是静态振荡器的一次分析处 理法。
• 在实际的振荡器中，谐振器的选频特性（即选 频网络的品质因数），决定了振荡器的输出频 率与载波频率附近的噪声性能。
• 在设计振荡器时还必须注意以下问题：
（1）为了获得振荡器的输出频谱，Q倍乘器放
大并滤除了电路固有的噪声；
（2）为了避免起振问题，必须使放大器的增益 比最小增益大很多。最后的增益会随着振荡幅 度的增加而降低，最终达到稳定状态，这是由 于器件的非线性而引起的。
10.4.2 LC三点式振荡器 的一般结构
• 根据LC振荡器的不同结构，可将三点式 振荡器分为：
（1）科毕兹振荡器是电容反馈三点式振荡 器；
（1）哈特莱振荡器是电感反馈三点式振荡 器。
10.5 振荡器中的相位噪声
• 频率稳定度是指在一定的时间间隔内频 率准确度的变化。
• 频率稳定度是衡量振荡器性能的一个十 分重要的指标，频率准确度要靠稳定度 来保证。
• 在选择偏置结构时，主要关注的是功率 效率、稳定性和易用性。
• 在设计低噪声振荡器时，需要恰当地控 制和选择偏置电路，以避免产生任何不 希望的调制信号或噪声。
• 电源电压和电流的波动也可引起输出功 率的波动及频率漂移。最常用的偏置结 构是采用一个或两个直流功率。这样选 择的目的在于保持了振荡器起振的条件， 并且使振荡器的稳定性有较好的控制。
• 频率转换过程的一个更通用办法是：通 过向支持周期性稳态的非线性电路注入 一个确定的小的射频信号，该方法同时 可以解决变频问题。若有几个噪声源， 那么它们可能存在相关性，因此在计算 噪声功率时必须考虑几个噪声的相关因 子。
10.5.4 偏置与杂散响应的 抑制
• 在振荡器中的偏置和一般的偏置结构不 同，应考虑振荡器的性能要求，从而选 择最为合理的偏置结构。